Azimuthal correlations of high-pT photons and hadrons in Au+Au collisions at STAR

Azimuthale Korrelation von Photonen und Hadronen mit hohem Transversalimpuls in Au+Au-Kollisionen bei STAR

Nuclear matter, that takes the form of protons and neutrons under normal conditions, is subject to a phase transition at high temperatures and densities, liberating the quarks and gluons that are usually confined in nucl
Nuclear matter, that takes the form of protons and neutrons under normal conditions, is subject to a phase transition at high temperatures and densities, liberating the quarks and gluons that are usually confined in nucleons and creating a medium of free partons: the Quark-Gluon-Plasma. It is generally believed that this state of matter can be created in relativistic collisions of heavy nuclei. The study of the medium created in these collisions is the subject of heavy-ion physics. One topic within this field are particles with high transverse momentum, that are created in initial hard collisions between partons of the incoming nuclei. The energetic partons lose energy due to interactions with the medium before they fragment into a jet of hadrons. Due to momentum conservation, these jets are usually created as back-to-back pairs, or less commonly as three-jet or photon-jet events, where a single jet is balanced by a hard photon. The energy loss can be measured using correlations between particles with high transverse momenta. A trigger particle is selected with very high transversemomentum and the distribution of the azimuthal angle of associated particles in the same event is studied, relative to the azimuth of the trigger particle.These azimuthal correlations show a peak for opening angles around 0 from particles selected from the same jet, and a second peak at opening angles around 180 degrees from back-to-back di-jets. Random combinations with the underlying event generate a flat background, extending over the full range of opening angles. The STAR experiment observed a modification of these correlations in central Au+Au collisions, where trigger particles with 4GeV < pT(trigger) < 6GeV and associated particles with 2GeV < pT(trigger) < 4GeV were selected. A strong suppression has been observed for away-side correlations in central Au+Au collisions, relative to p+p, d+Au and peripheral Au+Au data. This can be explained by assuming two partons going in opposite directions, where at least one has to travel a large distance through the medium, causing energy loss and effectively removing the event from the analysis. For near-side correlations, no significant modification has been observed, which can be explained by surface emission, assuming that the observed jets have travelled only a short distance in themedium, not leaving enough time for interactions with the medium. Both trigger- and associated particles in a correlation analysis with charged hadrons are subject to modifications due to the medium. This can be avoided by using photon-jet events instead of di-jets, because the photon does not interact with the medium and therefore provides the best available measure of the properties of the opposite jet in the presence of the underlying event. This thesis studies azimuthal correlations between regions of high energy deposition in the electro-magnetic calorimeter as trigger- and charged tracks as associated particles. The data sample had been enriched by online event selection, allowing for the selection of trigger particles with a transverse energy of more than 10GeV and associated particles with more than 2,3 or 4 GeV. The away-side yield per trigger particle is strongly suppressed like in correlations between charged particles. The near-side yield is also reduced by about a factor two, clearly different from charged correlations. The trigger particles are a mixture of photon pairs from the decays of neutral pions and single photons, mainly from photon-jet events, with small contributions from other hadron decays and fragmentation photons. Pythia simulations predict a ratio of neutral pions to prompt photons of 3.5:1 in p+p collisions with the same cuts as in the presented analysis. Single particle suppression further reduces this ratio in central Au_Au collisions, down to about 0.8:1, indicating that the majority of trigger particles in central Au+Au collisions are prompt photons. The increasing fraction of prompt photon triggers without an accompanying jet and therefore zero associated yield reduces the average yield per trigger particle. The magnitude of the observed effect agrees well with the expectation from Pythia simulations and the assumption of a single particle suppression by a factor 4-5. An analysis of away-side correlations is more difficult, because both photon-jet and di-jet events contribute. The aim is the separation of these two contributions. As a clear separation is not possible with the available dataset, a comparison with two different scenarios is given, where a surprisingly small suppression by only a factor of about 5 is favoured for both dijet- and photon-jet-correlations. A separate measurement of both contributions will be possible by a shower-shape analysis with the EM calorimeter or a comparison with charged correlations in the same kinematic region.
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Diese Arbeit untersucht azimuthale Korrelationen von Photonen und geladenen Hadronen mit hohem Transversalimpuls in Kollisionen von zwei Goldkernen bei einer Schwerpunktsenergie von sgrt(sNN) = 200GeV. Die Daten wurden m
Diese Arbeit untersucht azimuthale Korrelationen von Photonen und geladenen Hadronen mit hohem Transversalimpuls in Kollisionen von zwei Goldkernen bei einer Schwerpunktsenergie von sgrt(sNN) = 200GeV. Die Daten wurden mit dem STAR-Experiment am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) aufgezeichnet. Kernmaterie, die unter normalen Bedingungen in Form von Protonen und Neutronen vorkommt, durchläuft bei hohen Temperaturen und Dichten einen Phasenübergang, bei dem die in den Nukleonen enthaltenen Quarks und Gluonen freigesetzt werden und ein Medium aus freien Partonen entsteht, das Quark-Gluon-Plasma. Man geht davon aus, dass man diese Form von Materie im Labor in relativistischen Kollisionen schwerer Kerne erzeugen kann. Das in Schwerionenkollisionen erzeugte Medium ist Gegenstand der Schwerionenphysik. Ein Teilbereich beschäftigt sich mit der Teilchen mit hohem Transversalimpuls, die nur in harten Kollisionen von Partonen der einfliegenden Kerne erzeugt werden. Aufgrund der Impulserhaltung werden diese Partonen meist paarweise produziert, seltener zu dritt oder als Parton-Photon-Paar. Durch Wechselwirkungen mit dem Medium verlieren die so erzeugten Partonen Energie, bevor sie das Medium verlassen und in einen Jet fragmentieren. Dieser Effekt kann anhand von Korrelationen zwischen Teilchen mit hohem Transversalimpuls untersucht werden. Man wählt ein Triggerteilchen mit hohem Transversalimpuls aus und betrachtet dann die Verteilung des azimuthalen Öffnungswinkels anderer, assoziierter Teilchen aus dem selben Ereignis. Diese azimuthalenKorrelationen zeigen eine Häufung bei kleinen Winkeln aufgrund von Teilchen aus dem selben Jet und eine zweite Häufung bei großen Winkeln um 180 Grad, aufgrund von Teilchen aus gegenüberliegenden Dijets. Zufällige Kombinationen erzeugen einen flachen Untergrund über den gesamten Winkelbereich. Diese Analyse wurde zuerst von STAR mit Triggerteilchen mit Transversalimpuls von 4-6 GeV/c und assoziierten Teilchen mit 2-4 GeV/c durchgeführt. Während diesseitige Korrelationen in p+p, peripheren und zentralen Au+Au-Kollisionen nahezu unverändert bleiben, sind die jenseitigen Korrelationen in zentralen Kollisionen stark unterdrückt. Dies wird damit erklärt, dass im Fall zweier, in entgegengesetzte Richtungen laufender Partonen mindestens eines eine lange Wegstrecke im Medium zurückzulegen hat, dadurch Energie verliert und letztlich nicht mehr in die Korrelationsanalyse eingeht. Die Abwesenheit von Veränderungen diesseitiger Korrelationen wird so erklärt, dass durch die Wahl des Triggerteilchens nur Jets selektiert werden, die nahe der Oberfläche des Mediums entstanden sind und deshalb kaum modifiziert wurden. Bei dieser Analyse wechselwirken Trigger- und assoziierte Teilchen mit dem Medium, so dass die Modifikation eines einzelnen Jets nicht direkt messbar ist. Dies kann durch die Analyse von Photon-Jet-Ereignissen umgangen werden, bei denen dem Parton ein hartes Photon gegenübersteht. Das Photon reagiert nicht mit dem Medium und liefert deshalb die beste Messung der Energie des gegenüberliegenden Jets, die in einer Au+Au-Kollision möglich ist. Diese Arbeit untersucht azimuthale Korrelationen zwischen neutralen Triggerteilchen, die mit dem elektromagnetische Kalorimeter gemessen wurden, und geladenen assoziierten Teilchen aus der Spurendriftkammer. Durch Online-Ereignisselektion konnten Triggerteilchen mit Transversalimpulsen von mehr als 10 GeV/c und assoziierte Teilchen mit mehr als 2,3 oder 4 GeV/c untersucht werden. Die Korrelationen zeigen diesseitige Korrelationen von Teilchen aus dem selben Jet und jenseitige Korrelationen aus gegenüberliegenden Jets oder Photon-Jet-Ereignissen. Wie bei geladenen Teilchen sind jenseitige Korrelationen in zentralen Au+Au-Kollisionen stark unterdrückt, aufgrund des geringeren Untergrundes allerdings noch klar sichtbar. Neu ist eine Unterdrückung von Korrelationen mit kleinem Öffnungswinkel um etwa die Hälfte. Die Triggerteilchen sind Photonpaare mit kleinem Öffnungswinkel aus dem Zerfall neutraler Pionen oder direkte Photonen aus Photon-Jet-Ereignissen, mit kleineren Beiträgen aus anderen Prozessen. Pythia-Simulationen ergeben ein Verhältnis von Pionen zu direkten Photonen von 3,5:1 in p+p-Kollisionen. Durch die Hadronunterdrückung bei hohem Transversalimpuls verschiebt sich das Verhältnis in zentralen Au+Au-Kollisionen so, dass etwa 60% der Triggerteilchen aus Photon-Jet-Ereignissen stammen. Diese Reduktion des Anteils neutraler Pionen von 80% auf 40% geht geht einher mit einer Verringerung der mittleren Zahl assoziierter Teilchen bei kleinem Öffnungswinkel um 50%, wie dies beobachtet wurde. Bei jenseitigen Korrelation überlagern sich Dijet- und Photon-Jet-Anteile. Ziel ist eine separate Bestimmung der Unterdrückung dieser Anteile. Da eine Unterscheidung mit den analysierten Daten nicht möglich ist, konnten die Daten nur mit zwei möglichen Szenarien verglichen werden, wobei eine überraschend geringe Unterdrückung von sowohl Dijet- als auch Photon-Jet-Korrelation um nur einen Faktor von etwa 5 favorisiert wird. Eine separate Bestimmung der beiden Anteile wird durch Vergleich mit Korrelationen geladener Teilchen in diesem kinematischen Bereich, sowie durch die Messung des Profils der Schauer im Kalorimeter möglich sein.
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Metadaten
Author:Thomas Dietel
URN:urn:nbn:de:hebis:30-32262
Referee:Reinhard Stock
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/11/08
Year of first Publication:2006
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2006/06/08
Release Date:2006/11/08
Tag:correlation; hadron jet ; heavy-ion physics ; photon
SWD-Keyword:Hadronenjet ; Photon; Schwerionenphysik
HeBIS PPN:182330184
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:25.75.-q Relativistic heavy-ion collisions (collisions induced by light ions studied to calibrate relativistic heavy-ion collisions should be classified under both 25.75.-q and sections 13 or 25 appropriate to the light ions)
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $